[分析] 骨組織足場材料における3Dプリント技術の応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-20 12:53 に最後に編集されました。

「組織工学」は 1980 年代に提案された新しい学際的な分野です。その基本的な意味は、工学と生命科学の基本原理と技術を応用して、生体外で生物学的機能を備えた人工代替物を構築し、組織の欠陥を修復し、失われたり機能不全になったりした組織や臓器の一部またはすべての機能を置き換えることです。現在構築されている骨組織工学スキャフォールドはまだ完璧には程遠く、機械的特性、分解速度、構造形態、生物学的活性の面で解決すべき問題がまだ多く残っています。骨組織工学とその関連分野の研究の深化と進歩に伴い、骨組織工学スキャフォールドの研究は画期的な進歩を遂げるでしょう。骨組織工学では、3D プリント技術が非常に重要な役割を果たしています。この技術は、あらゆる形状の物体を構築するために使用できます。
骨組織工学スキャフォールドを製造する従来の方法は一定の成功を収めていますが、スキャフォールドの3次元構造、機械的強度、スキャフォールドの個別化は満足できるものではありません。3Dプリント技術によるスキャフォールド製造方法は、これらの欠点を改善することが期待されています。この論文では、骨組織工学のスキャフォールドを製造するための 3D 印刷技術の使用についてレビューし、スキャフォールドの将来的な最適化について展望します。現在、3Dプリンティング技術は工業製造、医療などの分野で応用されています。バイオメディカルの分野では、3D プリント技術は、臓器や細胞のプリント、組織工学の足場や人工インプラント、臓器モデルの作成、手術誘導計画などに応用されています。

1. 3Dプリント技術
3D プリント技術はラピッドプロトタイピング技術の一種で、デジタルモデルファイルを基に、粉末金属やプラスチックなどの接着材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。従来は金型製造や工業デザインなどの分野で模型を作るために使われることが多かったのですが、現在では一部製品の直接製造にも徐々に使われるようになってきています。特に、一部の高価値アプリケーション（股関節や歯、一部の航空機部品など）では、すでにこの技術を使用して部品が印刷されています。「3Dプリンティング技術」とは、この技術の普及を意味します。 3D 印刷技術は通常、デジタル技術材料プリンターを使用して実現されます。このタイプのプリンターは21世紀以降、生産・販売が大幅に増加し、価格も年々下がっています。

2. 骨組織
2.1 一般的に使用される骨組織工学スキャフォールド材料：
人工骨スキャフォールド材料は、生分解性と非生分解性の 2 つのカテゴリに分けられます。初期の人工骨スキャフォールド材料はすべて非生分解性であり、ポリマー（炭素繊維、ポリエステル、テフロン）、金属材料（ステンレス鋼、コバルト系合金、チタン合金）、生体不活性セラミック（アルミナ、酸化亜鉛、炭化ケイ素）、生体活性セラミック（バイオガラス、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウム）などが含まれていました。これらの材料は、高い機械的強度（耐摩耗性、耐疲労性、変形なしなど）、生物学的不活性（耐酸性および耐アルカリ性、耐老化性、劣化なし）を特徴としています。しかし、二次手術の問題があるため、フィブリンゲル、コラーゲンゲル、ポリ乳酸、ポリオール酸およびその共重合体、ポリ乳酸およびポリヒドロキシ酸、アガロース、キトサン、ヒアルロン酸などの多糖類など、生分解性および生物活性材料の使用が研究され始めました。現在研究され使用されている骨組織スキャフォールド材料は、分解性材料、または分解性材料と非分解性材料の組み合わせです。

2.2 理想的な骨組織スキャフォールド材料の特性
① 生体適合性と表面活性：細胞接着を促進し、無毒、非催奇形性、炎症反応を引き起こさず、細胞の成長に良好な微小環境を提供し、人体に安全に使用できます。
② 骨伝導性と骨誘導性：骨伝導性に優れた材料は、材料の劣化速度をより適切に制御できます。骨誘導性に優れたスキャフォールド材料は、人体に移植された後、骨髄間葉系幹細胞を骨芽細胞に分化させ、その増殖を促進する可能性があります。
③ 適切な気孔サイズと多孔度：足場材料の理想的な気孔サイズは、正常な骨単位のサイズに近いことが好ましい（人体の骨単位の平均サイズは約223μm）。一定の形状と機械的強度を維持するという前提の下で、骨組織工学足場材料の多孔度は通常、可能な限り高くする必要があり、同時に、気孔の間には相互接続された気孔があり、細胞の接着と成長を助け、材料への新しい骨の成長を促進し、栄養素の輸送と代謝産物の排出を容易にします。
④ 機械的強度と可塑性：材料は所望の形状に加工することができ、体内に埋め込まれた後、一定期間その形状を維持することができます。

3. 骨組織足場材料の構築における3Dプリント技術の研究状況
3D 印刷技術を使用した骨組織工学スキャフォールドの製造に関する実験的研究。現在、骨組織工学スキャフォールドの製造に使用できる 3D 印刷技術には、溶融積層法、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結法、3DP 技術などがあります。

3.1 メルトラミネーション<br /> メルトラミネーション技術は、フィラメント状のホットメルト材料を加熱して溶融し、同時に、コンピュータ制御の3次元ノズルが断面プロファイル情報に従って作業台上の材料を選択的に塗布し、急速冷却後に断面の層を形成します。 1 つの層が形成された後、機械テーブルは高さ (つまり、層の厚さ) だけ下がって次の層を形成し、全体の固体形状が形成されます。メルトラミネーション技術で使用される原材料は、通常、ABS、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱収縮性ポリマーです。

メルトラミネーション技術の利点は、製造が簡単でコストが低いことです。この技術では、異なる材料を使用して異なる組織を作成でき、各解剖学的構造を異なる色と種類の材料で作成して区別することができます。ただし、印刷されたステントは精度と表面品質の点で理想的ではなく、高温は原材料の化学組成を破壊する可能性があります。同時に、温度はメルトラミネーション効果に大きな影響を与え、完成品の効果はまだ十分に安定していません。そのため、メルトラミネーション技術は、高精度が要求されるラピッドプロトタイピングの分野ではほとんど使用されていません。さらに、この技術では成長因子、タンパク質、細胞を印刷できないため、医療用ステントへのさらなる応用が制限され、最大24時間かかります。

3.2 ステレオリソグラフィーSLA
感光性液相硬化、光硬化、ステレオリソグラフィーなどとも呼ばれ、最も古く、最も成熟し、最も広く使用されているラピッドプロトタイピング技術です。液状の感光性樹脂を樹脂タンクに充填し、レーザー光や紫外線スポットの照射により急速に硬化させます。このプロセスは中小規模の製造に適しており、プラスチック製品を直接得ることができます。また、ワックス型の代わりに鋳造型を作ることができ、金属スプレー型、エポキシ樹脂型、その他のソフト型のマスター型としても使用できます。これは現在、より成熟したラピッドプロトタイピングプロセスです。

近年、光造形法を用いて感光性樹脂のみを材料として骨組織工学用スキャフォールドを印刷する報告が数多くある。この方法で作製されたスキャフォールドは、ヒトの海綿骨の機械的強度を持ち、骨細胞の増殖と接着を促進することができます。研究により、混合材料で作られたスキャフォールドは、単純な感光性樹脂で作られたスキャフォールドよりも、機械的強度、組織適合性、骨形成の点で利点が多いことがわかっています。 Kimらは、ポリ（ジヒドロキシプロピルフマレート）/ヒドロキシアパタイトを原料として使用し、この技術を使用して複合足場材料、複合足場材料の細孔構造、および相互接続された細孔を調製しました。孔径と機械的強度は、単純なポリジヒドロキシプロピルフマレートよりも有利であり、ヒドロキシアパタイトを添加することで、スキャフォールド上の胚性骨芽細胞前駆細胞の接着と増殖をさらに促進することができます。ステレオリソグラフィー技術を使用してリン酸オリゴマー-ジメタクリレート/ハイドロキシアパタイトから作られた複合材料は、骨の形成と材料と骨の統合をよりよく促進することができます。

3.3 選択的レーザー焼結法<br /> レーザーを用いた粉末材料（プラスチック粉末、セラミックスとバインダーの混合粉末、金属とバインダーの混合粉末など）の選択焼結は、離散的な点を層ごとに積み重ねて3次元の物体にする加工方法です。レーザー選択焼結を開始する前に、窒素を充填した作業室を加熱し、粉末の融点以下に維持します。成形中、供給バレルが上昇し、粉末散布ローラーが移動して、最初に作業プラットフォーム上に粉末材料の層を散布し、次にコンピューター制御の下で断面輪郭に従って固体部分が配置されている場所でレーザービームが粉末を焼結し、粉末が溶融して固体輪郭の層を形成します。最初の層が焼結された後、作業台を断面層の高さだけ下げ、その上にさらに別の層の粉末を塗布して次の層を焼結します。このサイクルを繰り返して、3次元の試作部品を形成します。最後に、10 時間の冷却後、部品を粉末シリンダーから取り出すことができます。未焼結粉末は焼結中のワークピースを支えることができ、焼結プロセスが完了して部品が取り出されると、基本的に未焼結粉末は自動的に除去され、再利用されます。したがって、SLS プロセスではサポートの構築は必要なく、後でサポートを削除する手間もかかりません。

3.4 3DPテクノロジー
3次元印刷（3DP）プロセスは、マサチューセッツ工科大学のエマニュエル・サックスらによって開発されました。 EMSachs は 1989 年に 3DP 特許を申請しました。これは、非形成材料液滴噴射の分野における中核特許の 1 つです。 3DP プロセスは SLS プロセスに似ており、成形にはセラミック粉末や金属粉末などの粉末材料を使用します。部品の断面は、ノズルを通して接着剤（シリコンなど）を使用して材料粉末に「印刷」されます。接着剤で接合された部品は強度が低く、後処理が必要になります。

具体的なプロセスは以下のとおりです。前の層の接着が完了した後、成形シリンダーが一定距離（層の厚さに等しい：0.013〜0.1mm）下降し、粉末供給シリンダーが一定高さ上昇し、一部の粉末が押し出され、粉末拡散ローラーによって成形シリンダーに押し出され、平らに圧縮されます。ノズルはコンピュータによって制御され、次の構築セクションの形成データに従って接着構築層を選択的に噴霧します。散布ローラーが粉体を散布すると、余分な粉体が粉体回収装置によって回収されます。このように粉末供給、粉末散布、バインダー散布を繰り返し、最終的に三次元の粉末体を結合させます。バインダーが吹き付けられていない部分は乾燥粉末となり、成形工程中に補助的な役割を果たし、成形完了後に除去しやすくなります。

4. 骨組織スキャフォールド材料の構築における3Dプリント技術の成果<br /> 近年、溶融積層法で製造された純ポリエステルスキャフォールドは動物実験で一定の骨形成効果を示していますが、スキャフォールドの機械的強度と分解性は依然として不十分です。 Schantzらは、ポリカプロラクトンとリン酸カルシウムの混合物を足場材料として使用し、溶融積層技術によってポリカプロラクトン-リン酸カルシウム足場を調製しました。混合足場の分解速度と機械的強度は、純粋なポリカプロラクトン足場と比較して大幅に改善されました。 Xuらは、CTガイド下での溶融積層造形技術を使用して、天然のヤギ大腿骨を模倣したポリカプロラクトンとハイドロキシアパタイトの3次元人工骨を作製しました。すべての結果は、CTガイド下の溶融積層造形技術が、天然骨人工骨の製造に適したシンプルで便利で、比較的低コストの方法であることを示しました。

さらに、この技術によって製造されたポリカプロラクトン/ハイドロキシアパタイト人工骨は、天然骨の力学に近く、良好なin vitro細胞生体適合性および生分解性を有し、適切なin vivo骨形成能力を有する。したがって、ポリカプロラクトン/ハイドロキシアパタイトの三次元人工骨は、臨床的な骨欠損を持つ患者の治療に使用できる可能性があります。骨組織のスキャフォールド材料は、高度に相互接続された多孔質構造と適切な機械的および生物学的特性を備えている必要があります。スキャフォールドの性能を向上させるために、現在の研究者は主に混合原材料を使用してスキャフォールドを製造しています。多くの科学者は、レーザー選択焼結技術を使用して多孔質リン酸三カルシウム足場を製造し、また、AM 法と組み合わせた選択レーザー焼結技術を使用して、優れたマクロ的およびミクロ的特性を備えた 3 次元ポリビニルラクトン足場を構築しています。

医療業界では、慢性骨感染症を患っていた83歳の男性の顎骨を、3Dプリンターで「印刷」した骨に置き換える手術が行われました。これは、人間の骨を作るために3Dプリンター製品を使用する世界初の事例です。同時に、3Dプリント技術を使用して作られた足と足首の装具は、個別化された治療を実現するだけでなく、人件費と時間コストを削減することもできます。複雑な足や足首の手術では、3D プリントされたモデルとガイドテンプレートを使用すると、手術の難易度と術中の透視回数が減るだけでなく、手術の精度も向上します。さらに、3D 印刷技術は、パーソナライズされたインプラントの製造にも使用できます。3D 印刷モデルの表面処理や幾何学的精度などの技術の進歩により、3D 印刷技術はインプラントを直接印刷する上で大きな発展の余地があります。3D 印刷技術は、足と足首の手術にも広く使用されています。

5. 展望
医療用画像技術、コンピューター支援技術、製造を統合した3Dプリント技術は、患者に合わせたパーソナライズされたインプラントを便利かつ迅速にカスタマイズし、「靴に合わせて足を切る」という従来の治療法に別れを告げることができるようになると期待されています。 3D プリント技術の応用は、医師と患者の間のコミュニケーションを効果的に促進することもできます。患者との会話中に、3D プリント技術を使用して作成されたモデルで、患者とその家族に病状を鮮明かつ比喩的に説明し、手術手順を知らせることができます。これにより、患者は「明確に」治療されていると実感でき、医師と患者の間の緊張関係を効果的に緩和し、臨床上の大きなメリットがあります。

3Dプリント技術を使用して製造された医療用インプラントは、従来のものよりも軽量で強度が高く、個別の要件を満たしています。独自の空間成形技術により、治療ニーズに応じて空間スキャフォールドを形成でき、表面にバイオニック孔を形成できるため、生体適合性が向上し、生理機能要件に可能な限り近づき、骨組織修復の個別治療に革命的な変化をもたらします。つまり、将来的には、3D プリンターを使用して、コンピューターソフトウェアの制御下で組織幹細胞、足場材料、成長因子、シグナル分子、タンパク質などを印刷し、最終的には 3D 印刷技術によって、生きた生理学的に機能する骨組織工学臓器を印刷することになり、医療分野で非常に幅広い展望が開けます。

6. 解決すべき問題
3Dプリンティングは革新的な技術であり、3次元デジタルモデルをより直感的で3次元の物理モデルに直接印刷できるため、医師は個別のモデルで病気を診断し、的を絞った手術訓練を強化することが容易になります。しかし、骨組織の修復における 3D プリント技術の応用には、依然として次のような問題が残っています。

（1）3Dプリント技術仕様と評価の改善：「レーザーラピッドプロトタイピング製造プロセスと応用技術」を例にとると、関連する業界標準はまだ発行されておらず、レーザープロトタイピングプロセスがインプラントの内部の3次元構造、外部精度、機械的特性（強度、部品疲労、破壊靭性など）に損傷を与えるかどうかを評価することは不可能です。
（2）材料研究開発のニーズ： 3Dプリント技術は、印刷材料に対する要求が高い。この技術では、原材料を層ごとに印刷し、それらを結合するため、製造されたモデルの機械的強度が低く、長期にわたる高強度の使用に適応できるかどうかはまだ不明である。そのため、適切な材料を選択して製造することが、3D プリント技術を臨床現場でうまく応用できるかどうかの鍵となり、医療用途に適した 3D プリント材料の開発は緊急の課題となっています。
（３）政策と規制の遅れ： 3Dプリント技術は、知的財産、人間倫理、危険物製造など多くの分野に関係しており、現在、それを補完する明確な政策や法律は存在しない。
（4）高コスト： 3Dプリント設備は一般的に高価であり、設備の操作、印刷材料の購入、専門家の関連費用はすべてかなりの費用がかかります。また、個別モデルの製造であるため、コストを削減するために大量生産に使用することは困難です。
（５）適時性の低さ：3Dプリンティング技術は、手術時間を効果的に短縮し、手術の安全性と精度を向上させることができるラピッドプロトタイピング技術ですが、画像データの確立から物理モデルの印刷、パーソナライズされたプロテーゼやインプラントの製造まで、プロセス全体に時間がかかります。印刷技術やモデルのサイズ、複雑さ、高度さに応じて、プロセス全体に数時間から数日かかる場合があり、緊急手術で使用するのは困難です。
（６）応用条件、推進・応用の制限：病院における３Dプリント技術の利用には、依然として多くの制限が課せられている。すでに臨床現場で 3D プリントを応用している病院は大規模な病院であることが多く、この目的のために特別な 3D プリント研究室を設立し、生体材料、生体工学、画像処理の分野の専門家を配置していますが、ほとんどの病院にはこのような人材がいません。 3Dプリントモデルのコストは技術の進歩により年々着実に低下しているものの、依然として比較的高い。第二に、3Dプリントは依然として時間がかかり、緊急手術に適用するのは困難である。最後に、3D
印刷技術の応用はまだ実験段階にあり、その適用範囲はさらに探究する必要があり、実際の有効性は臨床研究によって検証される必要があります。

骨組織工学の足場における 3D 印刷技術の応用は満足のいく結果を達成しており、計り知れない可能性を秘めています。しかし、現時点では、骨組織工学スキャフォールドにおける 3D プリントの応用は完璧ではなく、その問題点や欠点をまだ認識する必要があります。 3Dプリントは比較的高価です。印刷設備と運用コストが高いだけでなく、最初の粉末調製から後の焼結プロセスまでの材料コストも無視できません。頭蓋骨モデルの印刷コストは1,000〜2,000米ドルと高額です。このコストは中国の国情にとって現実的ではなく、国内での発展も制限されています。パーソナライズされたカスタマイズは3Dプリントの利点ですが、別の観点から見ると、大規模な商業生産には役立ちません。

3Dプリントはもともと医学ではなく工学で使用されていたため、ステントの構築への応用は、2つの分野の専門知識を伴う学際的なプロセスです。現在、医学研究者と工学研究者の研究分野と知識構造は比較的独立しており、専門の技術者が不足しています。これは、3Dプリントが将来医学でより広く使用されるようになるためにも解決し改善しなければならない問題です。さらに、さまざまな粉末材料を選択するための統一された基準はなく、各材料の長所と短所を分析する際に、体系的で信頼性の高い指標や十分な実験的証拠はまだありません。構造、機能、臨床効果など、複数の側面から材料の長所と短所を総合的に評価するには、さらなる研究が必要です。3Dプリント後のステントは、一定の生体適合性を維持する必要があります。材料の生体適合性を高めて、より近づける方法。生体内微小環境のシミュレーションにはさらなる研究が必要です。3D スキャフォールド材料内での細胞の接着、成長、分化、および細胞と環境との相互作用メカニズムを明らかにするには、まだ多くの研究が必要です。

編集者: Antarctic Bear 出典: インターネット詳細:
【分析】骨組織の3Dプリント技術は骨再生の将来の希望となっている。予測：世界の整形外科用3Dプリント市場規模は3年後に68億元に達する可能性がある

[分析] 骨組織足場材料における3Dプリント技術の応用

DfAM設計プロセスにおける積層造形技術の応用について考える

SUTDの研究者は、食品印刷の構造と外観を改善するために、マルチマテリアル3D印刷技術を最適化しました。

江蘇ウェラリは6,000台以上の炉を稼働させ、金属3Dプリント粉末の分野で数々の新たなブレークスルーを達成した。

マテリアライズとアーティストが協力し、5,000年前のミイラの実物大レプリカを3Dプリント

イスラエル初の大規模3Dプリント研究センターがエルサレムのヘブライ大学にオープン

5年生の女の子はセーリング選手権で9位に終わりましたが、1位を獲得したことは非常に賞賛されました。

海外メディアによる3Dプリント業界の年次レビュー：2019年3月

格子構造の選択的レーザー溶融：プロセスと機械的特性の統計的研究

マイルストーン！エアロジェット、3万ポンドの推力を持つ3Dプリントのバンタムロケットエンジンの点火に成功

3D Systemsが4つの新しい3Dプリント樹脂をFigure 4に追加

推薦する

役に立つ情報: 3D プリントされた格子が製品の再形成を刺激する

3Dプリント電池の技術、材料、応用の展望

2020年中国国際タービン技術会議が成功裏に開催され、3Dプリントされた主要部品が注目を集めた

慧誠科技は中長勝投資と協力し、イスラエルのXjet社の中国への投資を促進

世界のトップ3Dプリント上場企業14社の比較レポート、大半は依然として赤字

3Dプリンティングに関する「2018年医療機器製品分類結果」の概要

ファースンハイテックが新型マシンをリリース：超高温、特殊インテリジェント商用252Pシリーズ3Dプリントインテリジェント製造プラットフォーム

UOW はリサイクルプラスチックを使用して家具や住宅を 3D プリントするために米国政府の支援を受ける

レーザー戦争: ファースーンハイテックが 8 つのレーザーを搭載した連続生産金属 3D プリンターを発売

直接画像デジタル露光技術が革新的な未来を「印刷」

徐建輝独占インタビュー：上海三徳部落の3Dプリントの発展の歴史はすでに10年

2021年蕪湖（芬昌）付加製造開発サミットフォーラムと中国付加製造産業年次会議が蕪湖で成功裏に開催されました。

京成添加剤と青航設備が共同開発した3Dプリントドローンが「北京科学技術発明賞」を受賞

日本の科学者がナノ複合材料の3Dプリントを実現する新しい粉末分散技術を開発

アリアングループ、3Dプリントロケットエンジン部品の開発をさらに進めるためGKNとの契約を更新